基于拉盖尔高斯模式的单像素成像装置及方法

技术领域

本发明涉及光学成像技术，尤其涉及一种基于拉盖尔高斯模式的单像素成像装置及方法。

背景技术

传统光学成像通常对镜头、探测器等成像设备具有较高要求，价格较为昂贵。计算成像作为最前沿的光学成像手段，通过特定的光学算法能够突破传统光学成像的限制、简化成像系统。单像素成像技术作为计算成像的领域之一，将传统成像所需的面阵探测器更换为一单点探测器，极大降低了成像成本，并且具有波段范围广、灵敏度高的特点。而设计单像素成像所需的光学投影模式是单像素成像技术的核心，如何合理地设计光学投影模式并进行实验验证，是搭建单像素成像系统的关键点。

目前广泛使用的单像素成像投影模式有：随机模式、傅里叶基底模式与哈达玛基底模式。而光学拉盖尔高斯模式由于其复杂的相位分布，难以直接应用于单像素成像。本发明通过将拉盖尔高斯模式共轭叠加的方式，设计出基于拉盖尔高斯模式的纯振幅单像素投影模式图，能实现低采样率下的清晰单像素成像。

发明内容

发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种可实现低采样率下的基于拉盖尔高斯模式的单像素成像装置及方法。

技术方案：本发明提供一种基于拉盖尔高斯模式的单像素成像装置，包括：

光学成像系统，用于将目标物体成像并投影至拉盖尔高斯模式光学投影模块；

拉盖尔高斯模式光学投影模块，用于产生若干基于拉盖尔高斯模式的光学投影模式图进行轮番播放，并将投影的目标物体图像与光学投影模式图内积，得到内积光信号；

单像素探测采集模块，用于采集拉盖尔高斯模式光学投影模块输出的内积光信号，并转化为电信号保存；

单像素成像模块，用于基于保存的电信号计算拉盖尔高斯模式系数，并根据拉盖尔高斯模式系数复原目标物体图像。

进一步的，所述拉盖尔高斯模式光学投影模块具体包括：

光学投影模式产生单元，用于生成若干基于拉盖尔高斯模式的光学投影模式图：

数字微镜器件，用于加载生成的若干光学投影模式图，若干光学投影模式图按照预设顺序预设持续时间进行轮番播放，当目标物体图像投影到播放光学投影模式图的数字微镜器件上时，目标物体图像与光学投影模式图内积形成内积光信号。

进一步的，所述光学投影模式产生单元用于通过下式生成具有不同角向、径向指数的基于拉盖尔高斯模式的四步相移光学投影模式图：

式中，P

进一步的，所述单像素探测采集模块具体包括：

单点探测器，用于探测内积光信号，并将探测到的内积光信号转化为模拟电信号；

数据采集器，用于将单点探测器的模拟电信号转化为数字的电信号并保存。

进一步的，所述单像素成像模块具体包括：

拉盖尔高斯模式系数计算单元，用于基于保存的电信号按照下式计算拉盖尔高斯模式系数：

A

式中，A

图像复原单元，用于根据拉盖尔高斯模式系数按照下式复原目标物体图像：

式中，

本发明还提供一种基于拉盖尔高斯模式的单像素成像方法，包括：

产生若干基于拉盖尔高斯模式的光学投影模式图进行轮番播放；

通过光学成像系统将目标物体成像投影至播放的光学投影模式图上，使得投影的目标物体图像与光学投影模式图内积，得到内积光信号；

探测内积光信号，并转化为电信号保存；

基于保存的电信号计算拉盖尔高斯模式系数，并根据拉盖尔高斯模式系数复原目标物体图像。

进一步的，所述光学投影模式图在数字微镜器件上播放，若干光学投影模式图按照预设顺序预设持续时间进行轮番播放，当目标物体图像投影到播放光学投影模式图的数字微镜器件上时，目标物体图像与光学投影模式图内积形成内积光信号。

进一步的，所述基于拉盖尔高斯模式的光学投影模式图通过下式生成：

式中，P

进一步的，所述探测内积光信号，并转化为时间电信号保存，具体包括：

探测内积光信号，并将探测到的内积光信号转化为模拟电信号；

将采集的模拟电信号转化为数字的电信号并保存。

进一步的，所述基于保存的电信号计算拉盖尔高斯模式系数，并根据拉盖尔高斯模式系数复原目标物体图像，具体包括：

基于保存的电信号按照下式计算拉盖尔高斯模式系数：

A

式中，A

根据拉盖尔高斯模式系数按照下式复原目标物体图像：

式中，

本发明与现有技术相比，其有益效果是：本发明可以实现低采样率下的单像素成像，且成像效果较好。

附图说明

图1是本发明提供的基于拉盖尔高斯模式的单像素成像装置的结构示意图；

图2是本发明提供的基于拉盖尔高斯模式的光学投影模式图；

图3是本发明提供的基于拉盖尔高斯模式的单像素成像方法的流程示意图

图4是对本发明进行实验验证时采用的实验验证系统的结构示意图；

图5是采用本发明对基于拉盖尔高斯模式的手写数字1至0的单像素成像结果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例提供了一种基于拉盖尔高斯模式的单像素成像装置，如图1所示，包括光学成像系统、拉盖尔高斯模式光学投影模块、单像素探测采集模块和单像素成像模块。

光学成像系统用于将目标物体成像并投影至拉盖尔高斯模式光学投影模块；具体可以采用光学4F成像系统或其他类型光学成像系统。

拉盖尔高斯模式光学投影模块用于产生若干基于拉盖尔高斯模式的光学投影模式图进行轮番播放，并将投影的目标物体图像与光学投影模式图内积，得到内积光信号。数字微镜器件用于加载若干光学投影模式图，本实施例为4个光学投影模式图，4个光学投影模式图按照1,2,3,4顺序和预设持续时间进行轮番播放。拉盖尔高斯模式光学投影模块具体包括光学投影模式产生单元和数字微镜器件，光学投影模式产生单元用于通过下式生成具有不同角向、径向指数的基于拉盖尔高斯模式的四步相移光学投影模式图：

式中，P

基于拉盖尔高斯模式的光学投影模式图实际为标准拉盖尔高斯模式及其共轭模式的叠加并相移后的模式图。图2所示为基于角向指数l＝5、径向指数p＝5的拉盖尔高斯模式的示例，图2的(a)、(b)，(c)、(d)分别为标准拉盖尔高斯模式

当目标物体图像投影到播放光学投影模式图的数字微镜器件上时，目标物体图像与光学投影模式图内积形成内积光信号，假设目标物体图像为

单像素探测采集模块用于采集拉盖尔高斯模式光学投影模块输出的内积光信号，并转化为电信号保存。单像素探测采集模块具体包括单点探测器PD和数据采集器，单点探测器PD用于探测内积光信号，并将探测到的内积光信号转化为模拟电信号。此外，为了提高采集效率，在单点探测器PD采集前，可采用透镜将内积光信号会聚于单点探测器(PD)中进行探测。数据采集器用于将单点探测器的模拟电信号转化为数字的电信号并保存，数据采集器可以是单独的数据采集卡，也可以是单独的采集装置或PC，可使用Labview软件控制实现采集信号并保存。

单像素成像模块用于基于保存的电信号计算拉盖尔高斯模式系数，并根据拉盖尔高斯模式系数复原目标物体图像。单像素成像模块具体包括拉盖尔高斯模式系数计算单元和图像复原单元。

拉盖尔高斯模式系数计算单元用于基于保存的电信号按照下式计算拉盖尔高斯模式系数：

A

式中，A

图像复原单元用于根据拉盖尔高斯模式系数按照下式复原目标物体图像：

式中，

其中，单像素成像模块和数据采集器可以为一个PC上的不同模块，也可以分别为一个PC装置。上述装置的实施例中，所包括的各个单元和模块只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。

以上所描述的实施例仅是示意性的，其中作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的。本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以只通过硬件实现，只要能实现功能或作用都可以。

本实施例还提供了一种基于拉盖尔高斯模式的单像素成像方法，如图3所示，包括如下步骤：

S1、产生若干基于拉盖尔高斯模式的光学投影模式图进行轮番播放。

其中，所述基于拉盖尔高斯模式的光学投影模式图通过下式生成：

式中，P

所述光学投影模式图在数字微镜器件上播放，若干光学投影模式图按照预设顺序预设持续时间进行轮番播放，当目标物体图像投影到播放光学投影模式图的数字微镜器件上时，目标物体图像与光学投影模式图内积形成内积光信号。

S2、通过光学成像系统将目标物体成像投影至播放的光学投影模式图上，使得投影的目标物体图像与光学投影模式图内积，得到内积光信号。

假设目标物体图像为

S3、探测内积光信号，并转化为电信号保存。

具体的，先探测内积光信号，并将探测到的内积光信号转化为模拟电信号；再将采集的模拟电信号转化为数字的电信号并保存。

S4、基于保存的电信号计算拉盖尔高斯模式系数，并根据拉盖尔高斯模式系数复原目标物体图像。

该步骤具体包括：

基于保存的电信号按照下式计算拉盖尔高斯模式系数：

A

式中，A

根据拉盖尔高斯模式系数按照下式复原目标物体图像：

式中，

下面对本发明进行实验验证。采用的实验验证系统如图4所示，包括半导体激光器Laser、透镜L1、数字微镜器件DMD1、光学4F成像系统(透镜L2、透镜L3)、数字微镜器件DMD2、透镜L3、单点光探测器PD和PC，半导体激光器Laser出射808nm的部分相干光，经由透镜L1扩束，得到平整的光束波前，进而入射至数字微镜器件DMD1的表面，DMD1用于加载目标物体的图像，透镜L2、透镜L3构成光学4F成像系统，将目标物体的图像投影至数字微镜器件DMD2上，数字微镜器件DMD2上每帧加载了角向、径向指数为0～34的基于拉盖尔高斯模式的四步相移光学投影模式图，并进行轮番播放。半导体激光器Laser、透镜L1、数字微镜器件DMD1主要是产生实验验证物体的图像。光学4F成像系统(透镜L2、透镜L3)、数字微镜器件DMD2、透镜L3、单点光探测器PD和PC主要用于单点像素成像，可作为本发明实施例直接应用于实际中进行单像素成像。实验上测量了MNIST手写数字集中的0～9十种数字，单像素成像结果如图5所示，可以看出，本实施例达到了很好的单像素成像效果。实验上加载于DMD1的手写数字图像的像素为288×288，投影模式测量的采样率仅为5.91％，可以看出本发明实现了低采样率下的单像素成像。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。